锁相环频率合成技术及其应用

1．锁相环的基本组成许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。

锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL）。

锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。

因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。

锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。

锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，锁相环组成的原理框图如图8-4-1所示。

锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成u D（t）电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压u C（t），对振荡器输出信号的频率实施控制。

2．锁相环的工作原理锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图8-4-2所示。

鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：（8-4-1）（8-4-2）式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。

则模拟乘法器的输出电压u D为：用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压u （t）。

即u C（t）为：C（8-4-3）式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率，θi（t）和θO（t）分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为：即（8-4-4）则，瞬时相位差θd为（8-4-5）对两边求微分，可得频差的关系式为（8-4-6上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态，u c（t）为恒定值。

锁相环的组成和原理及应用一.锁相环的基本组成许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。

锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环(PLL)。

锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。

因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。

锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。

锁相环通常由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三部分组成，锁相环组成的原理框图如图8-4-1所示。

锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成uD(t)电压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC(t)，对振荡器输出信号的频率实施控制。

二.锁相环的工作原理锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图8-4-2所示。

鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：(8-4-1)(8-4-2)式中的ω0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。

则模拟乘法器的输出电压uD为：用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC(t)。

即uC(t)为：(8-4-3)式中的ωi为输入信号的瞬时振荡角频率，θi(t)和θO(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为：即(8-4-4)则，瞬时相位差θd为(8-4-5)对两边求微分，可得频差的关系式为(8-4-6)上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态，uc(t)为恒定值。

锁相环倍频锁相环倍频是一种常用的频率合成技术，可以将输入的信号倍频到更高的频率。

它在现代通信、雷达、微波、光纤通信等领域中得到广泛应用。

本文将对锁相环倍频的原理、应用和实现进行详细阐述。

一、锁相环倍频的原理锁相环倍频是利用锁相环的稳定性和反馈控制能力来实现的。

锁相环由一个相频比较器、一个电压控制振荡器（VCO）、一个相位误差检测器、滤波电路和一个反馈回路组成。

1.相频比较器：将输入信号和VCO的输出信号进行比较，得到相位误差信号。

2.VCO：根据相频比较器输出的相位误差信号，调整自身的频率。

3.相位误差检测器：检测VCO输出信号的相位与输入信号的相位之间的差异。

4.滤波电路：将相位误差信号进行滤波处理，得到控制VCO频率的电压信号。

5.反馈回路：将滤波电路输出的电压信号反馈给VCO，控制VCO的频率与输入信号的频率保持一致。

锁相环倍频的工作原理是通过调整VCO频率，使得反馈回路能够将输入信号与VCO输出信号的相位保持恒定，从而实现对输入信号的倍频。

二、锁相环倍频的应用锁相环倍频广泛应用于各种需要高稳定性和高精度的频率合成系统中。

下面介绍几个典型的应用场景。

1.通信领域：在无线通信中，锁相环倍频可以将基带信号倍频到射频频率，用于信号的调制和解调。

它可以使得信号频率更高，提高通信信号的传输距离和抗干扰能力。

2.雷达系统：在雷达系统中，锁相环倍频可以将低频信号倍频到微波频率，用于雷达的脉冲压缩和信号处理。

它可以提高雷达系统的分辨率和目标检测能力。

3.光纤通信：在光纤通信系统中，锁相环倍频可以将低频光信号倍频到高频光信号，用于光时钟的生成和光信号的调制。

它可以实现光信号的稳定传输和高速通信。

三、锁相环倍频的实现锁相环倍频的实现需要选择合适的锁相环参数和设计合理的电路结构。

下面介绍几种常用的锁相环倍频实现方案。

1.模拟锁相环倍频：模拟锁相环倍频使用模拟电路实现，具有延迟小、稳定性好等特点。

它适用于频率较低的应用场景，如音频信号的倍频。

锁相与频率合成技术实验讲义桂林电子科技大学通信实验中心实验一锁相环实验一、实验原理锁相环路实质是一个负反馈的相位差自动调节系统。

1、锁相环路的构成图1 锁相环基本框图1（1）鉴相器鉴相器是相位差转换成电压的变换器（θe / V变换器、相差/电压变换器），它把两个信号U2（t）和U1（t）的相位进行比较，产主对应于两个信号相位差θe的误差电Ud（t）。

图2(a) 鉴相器模型23图2（b ）异或门鉴相曲线 图2（c ）数字比相器的鉴频鉴相曲线4如图2（c ）的数字比相器，其特性可以理解为：① 对于相位跳变信号，如f1输入已调2PSK 信号，f2输入载波信号，则鉴相器的输入输出信号为：图3 f 1 ：PSK 信号图4 f 0： 载波信号图5 f 1 与f 0 的相差θe图6 鉴相器的输出电压Ud②对于频率跳变信号，如f1输入已调2FSK信号，由高低频率f H、f L组成，f2输入f L信号，则鉴相器的输入输出信号为：图7 f1：FSK信号图8 f0：FSK的f L信号图9 f1与f0 的相差θe5（2）环路滤波器环路滤波器的作用是滤除误差电压Ud（t）中的进行积分，以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性。

环路滤波器常用的类型有RC积分滤波器，无源比例积分滤波器，有源比例积分滤波器。

（3）压控振荡器VCO的技术指标：中心频率、频率变化范围、频率稳定度、相位噪声、压控线性度、压控灵敏度。

图11 压控振荡器控制电压/ 输出频率（Uc－ωO）特性曲线6同步带与捕获带同步带的测量方法：环路锁定之后，缓慢提高信号源的输入频率，直到输入输出频率不相等，测出Δωh H ；用同样方法测量Δωh L ，环路锁定之后，降低信号源的输入频率，直到输入输出频率不相等，测出ΔωL 。

图20 PLL同步带范围78同步带的测量方法：由于频率太低引起环路失锁之后，缓慢提高信号源的输入频率，直到输入输出频率不相等，测出Δωp H ；用同样方法测量Δωp L 。

锁相环技术原理及其应用一、锁相环技术原理1.1 基本概念锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）是一种调节电路，能够通过控制其输出信号相位与参考信号相位之间的差值，使输出信号频率与参考信号频率一致，并且其输出信号相位与参考信号精确同步。

锁相环可以用于频率合成、时钟恢复、数字信号处理、射频通信等领域。

1.2 工作原理锁相环主要由相位比较器、低通滤波器、时钟发生器、可变增益放大器和电压控制振荡器等组成。

其中，相位比较器的作用是将参考信号和反馈信号进行比较，然后得到相位误差信号。

低通滤波器的作用是将相位误差信号进行平滑处理，得到直流误差信号。

时钟发生器的作用是产生参考信号。

可变增益放大器的作用是将误差信号放大后作为电压控制振荡器的控制电压。

电压控制振荡器的作用是产生锁相环输出信号，并且通过调节电压来控制输出信号的频率和相位。

1.3 稳定性分析锁相环的稳定性与参考信号的稳定性和相位比较器的带宽以及低通滤波器的截止频率等因素有关。

稳定性分析主要是评估锁相环输出信号的频率精度和相位噪声。

二、锁相环技术应用2.1 频率合成频率合成是利用锁相环技术将一个较低频率信号转换为高频率信号。

其中，参考信号是一个较低频率信号，产生参考信号的时钟发生器经过倍频器将参考信号的频率增加到所需的合成频率，然后经过相位比较器和滤波器控制电压控制振荡器的输出频率。

频率合成广泛应用于通信、广播、雷达、卫星导航等领域。

2.2 时钟恢复时钟恢复是一种将时钟信号从数据信号中恢复出来的技术。

锁相环可以通过将数据信号作为反馈信号，将时钟信号从数据信号中恢复出来。

时钟恢复广泛应用于数字通信和数字音频领域。

2.3 数字信号处理锁相环可以通过将输入信号与锁相环输出信号相比较，将输入信号变换的频率和相位误差降到很小，从而使输入信号的相位和频率与输入信号一致。

锁相环广泛应用于数字信号处理，例如数字滤波器、数字混频器、数字降噪器等。

2.4 射频通信锁相环在射频通信中的应用非常广泛，主要用于频率合成、时钟恢复等领域。

频率合成器原理
频率合成器是一种将一个高稳定度和高精度的标准频率信号（经过加减乘除四则运算），产生同样高稳定度和高精度的大量离散频率的技术。

基于频率合成原理所组成的设备或仪器称为频率合成器。

频率合成器的工作原理主要基于锁相环（PLL）技术。

PLL是一种用于锁定
相位的环路，其控制量是信号的频率和相位。

它利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，最终呈现出动态平衡。

PLL频率合成器的工作原理如下：
1. 参考信号输入：将参考信号（例如晶振产生的稳定信号）输入PLL电路
中的相位检测器（PD）中。

2. 相位比较：将参考信号与频率可调的参考分频器输出的信号进行相位比较。

相位比较器会将两个信号的相位差转化为一个宽度与相位差成正比的脉冲信号。

3. 滤波器：将相位比较器输出的脉冲信号通过一个低通滤波器进行滤波，得到一个直流电压作为控制电压。

4. 控制电压输出：将滤波后的直流电压作为控制电压输入到压控振荡器（VCO）中，控制VCO的频率输出。

5. 输出信号调节：将VCO的输出信号经过分频器分频后得到所需的输出频率。

以上内容仅供参考，建议查阅关于频率合成器的书籍或咨询专业人士获取更准确的信息。

锁相环及其应用所谓锁相环路，实际是指自动相位控制电路（APC），它是利用两个电信号的相位误差，通过环路自身调整作用，实现频率准确跟踪的系统，称该系统为锁相环路，简称环路，通常用PLL表示。

锁相环路是由鉴相器(简称PD)、环路滤波器（简称LPF或LF）和压控振荡器（简称VCO）三个部件组成闭合系统。

这是一个基本环路，其各种形式均由它变化而来PLL概念设环路输入信号v i= V im sin(ωi t+φi)环路输出信号v o= V om sin(ωo t+φo)——其中ωo=ωr+△ωo通过相位反馈控制，最终使相位保持同步，实现了受控频率准确跟踪基准信号频率的自动控制系统称为锁相环路。

PLL构成由鉴相器（PD）环路滤波器（LPF）压控振荡器（VCO）组成的环路。

PLL原理从捕捉过程→锁定A.捕捉过程（是失锁的）a.φi┈φi均是随时间变化的，经相位比较产生误差相位φe=φi-φo,也是变化的。

b.φe(t)由鉴相器产生误差电压v d(t)=f(φe)完成相位误差—电压的变换作用。

v d(t)为交流电压。

c. vd(t)经环路滤波，滤除高频分量和干扰噪声得到纯净控制电压，由VCO产生控制角频差△ω0,使ω0随ωi变化。

B.锁定（即相位稳定）a.一旦锁定φe(t)=φe∞（很小常数）v d(t)= V d（直流电压）b.ω0≡ωi输出频率恒等于输入频率（无角频差，同时控制角频差为最大△ω0max, 即ω0=ωr＋△ω0max。

ωr为VCO固有振荡角频率。

）锁相基本组成和基本方程(时域)各基本组成部件鉴相器(PD)数学模式v d(t)=A D sinφe(t)相位模式环路滤波器(LPF)数学模式v c(t)=A F(P)v d(t)相位模式压控振荡器(VCO)数学模式相位模式环路模型相位模式：指锁相环(PLL)输入相位和输出相位的反馈调节关系。

相位模型：把鉴相器,环路滤波器和压控振荡器三个部件的相位模型依次级联起来就构成锁相相位模型。

基于锁相环频率合成技术的波形发生器设计摘要：波形发生器是电子仪器中常用的测试设备，用于产生各种类型的信号波形。

本文以基于锁相环频率合成技术的波形发生器设计为主题，介绍了锁相环的原理和应用、波形发生器的设计要求和实现方法，并对其性能进行了评估和分析。

1. 引言波形发生器是电子领域中广泛应用的一种测试设备，可以产生各种类型的信号波形，如正弦波、方波、脉冲波等。

波形发生器在通信、电子测量、生物医学等领域有着重要的应用。

2. 锁相环的原理和应用锁相环是一种反馈控制系统，通过比较输入信号和参考信号的相位差来调整输出信号的频率和相位，使其与参考信号保持同步。

锁相环广泛应用于时钟恢复、频率合成等领域。

3. 波形发生器的设计要求波形发生器的设计要求包括频率范围、输出波形的稳定性和精度、频率和相位调制能力等。

频率范围是指波形发生器能够产生的信号频率的范围，输出波形的稳定性和精度是指输出信号的频率和相位的稳定性和精度，频率和相位调制能力是指波形发生器能够实现的频率和相位的调制功能。

4. 波形发生器的实现方法基于锁相环频率合成技术的波形发生器的实现方法主要包括参考信号源、相位比较器、低通滤波器和数字控制单元等。

参考信号源产生一个稳定的参考信号，相位比较器比较输入信号和参考信号的相位差，并输出一个误差信号，低通滤波器对误差信号进行滤波处理，数字控制单元根据滤波后的误差信号调整输出信号的频率和相位。

5. 性能评估和分析对基于锁相环频率合成技术的波形发生器的性能进行评估和分析是设计过程中的重要步骤。

性能评估主要包括频率范围、输出波形的稳定性和精度、频率和相位调制能力等方面。

通过实验和仿真可以得到波形发生器的性能指标，并对其性能进行分析和评价。

6. 结论本文以基于锁相环频率合成技术的波形发生器设计为主题，介绍了锁相环的原理和应用、波形发生器的设计要求和实现方法，并对其性能进行了评估和分析。

基于锁相环频率合成技术的波形发生器具有频率范围广、输出波形稳定性高、频率和相位调制能力强等优点，能够满足各种测试和测量的需求。

锁相电路（PLL）及其应用自动相位控制（APC）电路，也称为锁相环路（PLL），它能使受控振荡器的频率和相位均与输入参考信号保持同步，称为相位锁定，简称锁相。

它是一个以相位误差为控制对象的反馈控制系统，是将参考信号与受控振荡器输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调整受控振荡器输出信号的相位，从而使受控振荡器输出频率与参考信号频率相一致。

在两者频率相同而相位并不完全相同的情况下，两个信号之间的相位差能稳定在一个很小的范围内。

目前，锁相环路在滤波、频率综合、调制与解调、信号检测等许多技术领域获得了广泛的应用，在模拟与数字通信系统中已成为不可缺少的基本部件。

一、锁相环路的基本工作原理1．锁相环路的基本组成锁相环路主要由鉴频器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分所组成，其基本组成框图如图3-5-16所示。

图1 锁相环路的基本组成框图将图3-5-16的锁相环路与图1的自动频率控制（AFC）电路相比较，可以看出两种反馈控制的结构基本相似，它们都有低通滤波器和压控振荡器，而两者之间不同之处在于：在AFC环路中，用鉴频器作为比较部件，直接利用参考信号的频率与输出信号频率的频率误差获取控制电压实现控制。

因此，AFC系统中必定存在频率差值，没有频率差值就失去了控制信号。

所以AFC系统是一个有频差系统，剩余频差的大小取决于AFC系统的性能。

在锁相环路（PLL）系统中，用鉴相器作为比较部件，用输出信号与基准信号两者的相位进行比较。

当两者的频率相同、相位不同时，鉴相器将输出误差信号，经环路滤波器输出控制信号去控制VCO ，使其输出信号的频率与参考信号一致，而相位则相差一个预定值。

因此，锁相环路是一个无频差系统，能使VCO 的频率与基准频率完全相等，但二者间存在恒定相位差（稳态相位差），此稳态相位差经鉴相器转变为直流误差信号，通过低通滤波器去控制VCO ，使0f 与r f 同步。

2．锁相环路的捕捉与跟踪过程当锁相环路刚开始工作时，其起始时一般都处于失锁状态，由于输入到鉴相器的二路信号之间存在着相位差，鉴相器将输出误差电压来改变压控振荡器的振荡频率，使之与基准信号相一致。

锁相环的原理及应用一、基本工作原理1、环路的基本构成2、建立鉴相器、环路滤波器和压控振荡器的数学模型二、工作过程的定性分析1、锁定2、跟踪3、捕获4、失锁三、锁相环路的应用1、器件选型锁相频率合成器的分类HYT常用锁相频率合成芯片性能比较2、关键性指标分析相位噪声锁定时间环路带宽压控灵敏度一、基本工作原理锁相环是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路。

它的基本原理是利用相位误差去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态时，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，从而实现无频率误差的频率跟踪和相位跟踪。

1、环路的基本构成锁相环是一个相位负反馈控制系统。

主要由鉴相器（PD ）、环路滤波器（LF ）和电压控制振荡器（VCO ）三个基本部件组成，如下图所示：鉴相器是相位比较器，它把输出信号)(t u o 和参考信号)(t u r 的相位进行比较，产生对应于两信号相位差的误差电压)(t u d 。

环路滤波器的作用是滤除误差电压)(t u d 中的高频成分和噪声，以保证环路所要求的性能，提高系统的稳定性。

压控振荡器受控制电压)(t u c 控制，频率向参考信号的频率靠近，于是两者频率之差越来越小，直至频差消除而被锁定。

2、建立鉴相器、环路滤波器和压控振荡器的数学模型 ➢ 鉴相器鉴相器（PD ）又称为相位比较器，它是用来比较两个输入信号之间的相位差)(t e 。

按鉴相特性来分，鉴相器可分为正弦型、三角型和锯齿型等，常用来分析的是正弦鉴相器，可用模拟乘法器与低通滤波器构成。

)(t u i )(t)(t u o图2 正弦鉴相其模型图1 锁相环的基本组成其数学模型为：) )(t o图3 鉴相器的数学模型➢ 环路滤波器环路滤波器（LF ）是一个线性低通滤波器，用来滤除误差电压)(t u d 中的高频分量和噪声，更重要的是它对环路参数调整起到决定性的作用。

常用的有：RC 积分滤波器 无源比例积分滤波器* 有源比例积分滤波器 ➢ 压控振荡器压控振荡器（VCO ）是一个电压－频率的变换器，在环路中作为被控振荡器，它的振荡频率应随输入控制电压)(t u c 线性的变化，即)()(00t u K t c v +=ωω其中，)(t v ω是VCO 的瞬时角频率，0K 是线性特性斜率，又称压控灵敏度或增益系数。